Fransızca kısaltması CERN olarak bilinen Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi dünyanın en büyük parçacık fiziği laboratuvarıdır. Avrupa'dan Amerika'ya giden yetenekli bilim insanlarının "beyin göçünü" durdurmak amacıyla 1954'te kuruldu. İsviçre, Cenevre'nin hemen dışında bulunan merkez, savaş sonrası Avrupa'nın ilk ortak girişimlerinden biridir. Bugün 100'den fazla ülkeden 10.000'den fazla bilim insanı şimdiye kadar yaratılmış en büyük ve en karmaşık bilimsel araçları içeren CERN tesisinde çalışıyor. CERN'in amacı evrenin neyden yapıldığını ve davranışını yönlendiren fizik yasalarını bulmaktır.
CERN'de hangi keşifler yapıldı?
Higgs bozonu iki protonun 14 TeV'de çarpışmasıyla üretilir ve hızla bir ağır elektron türü olan dört müon'a bozunur. Çarpışmayla üretilen diğer maddelerin izleri çizgilerle gösterilir. Dedektörün tespit ettiği enerji maviyle görülür.
CERN'de öne çıkan keşifler arasında 1983 yılında W ve Z bozonları adı verilen ve daha sonra Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülen iki temel parçacığın keşfi vardır. İngiliz bilgisayar bilimcisi Tim Berners-Lee 1989'da CERN'de çalışırken CERN'deki bilgisayarların birbirleriyle konuşması için hiper metin aktarım protokolü (HTTP) adı verilen bir yol geliştirerek World Wide Web'i icat etti.
1995 yılında CERN bilim insanları hidrojenin antimadde karşılığı olan antihidrojen atomlarını yarattılar. 2000 yılında maddenin yeni bir halini keşfettiler: Kuark-gluon plazması adı verilen sıcak ve yoğun bir parçacık. Higgs bozonu ilk kez 2012'de CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) gözlemlenmiş ve Nobel Ödülü kazandırmıştır.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı nedir ve nasıl çalışıyor?
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı veya LHC, dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı. Fizikçilerin küçük atom altı parçacıkları son derece yüksek hızlarda birbirine çarpıştırarak sonuçlarını gözlemlediği dev bir makinedir.
Bu parçacık çarpışmaları bir saniyenin çok küçük bir bölümünde evrenin doğduğu Büyük Patlama'dan birkaç dakika sonraki koşulları yaratır. Fizikçiler bu çarpışmaların sonuçlarını inceleyerek maddenin neyden oluştuğu ve parçacıkların nasıl kütle kazandığı gibi gizemleri çözmeye çalışıyor.
2008 yılında yapılan LHC öncelikle parçacık fiziğinin Standart Modeli'ni teste tabi tutmak için inşa edildi. 1970'lerden gelen bu çılgınca başarılı teori 17 temel parçacık ile evrenin dört temel kuvvetinden üçü arasındaki etkileşimleri tanımlar: Elektromanyetizma, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet (yerçekimi dördüncüsü).
Standart Model, Higgs bozonu adı verilen daha önce hiç görülmemiş bir temel parçacığın varlığını uzun süredir öngörüyordu. 40 yıllık araştırmadan sonra 2012'de fizikçiler sonunda LHC'yi kullanarak Higgs bozonunu buldular. Bu keşif Standart Model için büyük bir kazanımdı ancak teori bir konuda eksik kalır: Karanlık madde nedir? Evren neden antimaddeden daha fazla madde içerir? LHC bu soruları yanıtlamaya çalışıyor.
Makine yaklaşık 27 kilometre uzunluğunda dairesel bir tünelde bulunur. Cenevre yakınlarındaki Fransa-İsviçre sınırının derinliklerindedir. Çarpıştırıcıda iki parçacık demetini (genellikle protonlar) zıt yönde hareket ettirmek için 1.000'den fazla 35 tonluk süper iletken dipol mıknatıs (-271.3°C'ye soğutulmuştur ve uzaydan daha soğuktur) kullanılır. Protonlar 27 kilometrelik tünelin etrafında neredeyse ışık hızında döner ve saniyede 11.000'den fazla tur yapar.
Tünelin etrafındaki dört noktadaki iki kirişin yolları karşıt kesişecek şekildedir. Protonlar kirişlerin kesiştiği yerden geçerken birbirine çarpar ve daha küçük parçacıklara bölünür. Çarpışmayla üretilen parçacıkların çoğu kararsızdır ve neredeyse anında daha kararlı biçimlere bozunur.
Dört çarpışma bölgesinin etrafında yedi devasa dedektör vardır. Dedektörler kısa süreliğine var olan bu inanılmaz derecede nadir parçacıklar hakkında veri toplar.
LHC neden kapatıldı ve şu anda çalışıyor mu?
LHC ilk olarak Eylül 2008'de çalıştırıldı ve en az 20 yıl çalışması planlandı. Planda bilim insanlarının ekipmana erişebilmesi, onarım yapabilmesi ve daha yüksek enerji seviyesinde çalışması için yükseltmeler eklediği uzun süreli kapatma dönemleri vardır. Böylece yeniden çalıştırıldığında daha fazla potansiyel keşif yapabilir.
LHC'nin en son uzun süreli kapatma süreci (LS2) 2019'da başladı ve 22 Nisan 2022'de üç yıllık bakım çalışması ve yükseltmelerden sonra yeniden çalıştırıldı. Protonlar yeniden çarpıştırılmaya başlandı.
CERN'in geleceği nedir?
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda yürütülen altı deneyden biri olan ATLAS Deneyi'nde Standart Model araştırmaları yapılıyor. LHC'nin yeniden başlatılmasıyla cihazın yakaladığı toplam parlaklık kabaca iki katına çıktı. Parlaklık, fizikçilerin parçacık ışınlarının yoğunluğunu tanımlama yöntemidir. Parlaklığı iki katına çıkarmak, parçacıkların çarpışma olasılığını iki katına çıkarıyor.
ATLAS daha önce 2015 ve 2018 yılları arasında alınan verilere bakarak aynı anda üretilmiş üç W bozonunun ilk gözlemini yaptı. Higgs bozonu oluşturmaya kıyasla, proton çarpışmaları sırasında üçlü W üretmek yaklaşık 60 kat daha az olasıdır.
O kadar ender bir süreç ki bilim insanları bir sonraki deneyde Higgs'in kendiyle birleşmesini gözlemleyebileceğini düşünüyor. Sıradan Higgs'e kıyasla bir Higgs'in iki Higgs ile birleşmesi – üçlü Higgs – yaklaşık 2.000 kat daha az olasıdır.
LHC'nin sıradaki kapatılması 2026-2028 arasında olacak. Bu uzun kapanıştan sonrası oldukça heyecan verici olacak. Bu süre zarfında LHC o kadar yoğun şekilde yükseltilecek ki yeni bir ad alacak: Yüksek Parlaklıklı LHC (HL-LHC). 20 yılı aşkın çalışma süresinin sonunda makine bugüne dek üretilenden yaklaşık 30 kat daha fazla parlaklık üretecek ve fizikçilerin Standart Model'in sınırlarını zorlamasını sağlayacak.
Dahası yeni fizik atılımları burada bitmiyor. Planlanan yeni bir çarpıştırıcı olan Future Circular Collider (FCC) veya Geleceğin Dairesel Çarpıştırıcısı LHC'yi gölgede bırakacak. Şu anda konsept aşamasında ancak 100 kilometre civarında çok daha güçlü bir çarpıştırıcı olacak. Bittiğinde LHC yalnızca FCC'nin güçlendirici bir halkası olacak.